科慕Nafion™质子交换膜：高性能材料引领“绿氢”新路径

2022年，北京冬奥会的举办吸引了来自全球的目光。其中，近百年冬奥史上首支以绿氢为燃料的火炬在张家口赛区熊熊点燃，成为本届冬奥会的一大亮点。氢气，尤其是绿氢，也再次受到社会各界的关注。

氢气，来源广泛，热值高，清洁无碳，可储能、发电、发热，灵活高效，应用场景丰富，被认为是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想能源载体，备受世界各国青睐。绿氢，则是指利用可再生能源电解水得到的氢气，燃烧时只产生水。与以煤炭和天然气为原料的灰氢和蓝氢相比，从源头上即实现低碳甚至零碳排放，具有绿色环保、生产灵活、纯度高（通常在99.7%以上）以及副产高价值氧气等特点，在全球能源转型中扮演着重要角色。

在碳达峰碳中和的背景下，低碳环保的“绿氢”已然成为当下及未来制氢方式的主流选择。其中，质子交换膜（PEM）电解水技术因其无污染、无腐蚀、拥有更高的质子传导性，同时有更宽的负载范围和更短的响应启动时间，与可再生能源耦合方面等独特优势，成为适合未来能源结构的制氢技术。

PEM电解水制氢技术优势明显引领未来制氢新路径

电解水制氢是指水分子在直流电作用下被解离生成氧气和氢气，分别从电解槽阳极和阴极析出。目前市场上主要有碱性电解（AWE）和质子交换膜（PEM）电解两种技术路线。

碱性（AWE）电解水制氢

在此过程中，反应发生在溶液（包含水和氢氧化钾(KOH)液体电解质）中的两个电极之间。当两个电极获得足够的电压时，阴极水分子吸收电子形成OH(氢氧根)离子和H₂(氢)分子。氢氧根离子穿透KOH电解质到达阳极，并在此处结合并释放出额外的电子来产生水和O₂(氧气)。具有微米级孔的隔膜可防止氢和氧混合。

虽然使用碱性膜的系统成本较低，但它们在可再生能源应用中易出现性能问题。碱性电解槽内隔膜上的氢氧化物支持对电流输入响应缓慢，限制了电化学反应，导致电流密度低。隔膜的多孔结构允许氢和氧在低密度下扩散和混合，这限制了其工作安全范围。碱性电解槽中使用的传统电极往往具有表面积少、催化剂利用率低和相关的电压损耗等问题。这些问题导致功率密度低，并且需要更大的系统来支撑电极。

质子交换膜（PEM）电解水制氢

在此过程中，PEM将质子从阳极传导到阴极，同时为电极提供电子绝缘。在两个电极之间施加电位差（电压）时，水分子在阳极失去电子，生成氧气和质子，质子穿过质子膜传导流向阴极，在阴极与电子结合形成 H₂。PEM仅允许带正电的离子穿过，从而到达阴极。PEM具有良好化学稳定性、质子传导性和气体分离性。PEM作为固体电解质，能有效阻止气体交叉渗透和电子传递，提高电解槽安全性。

相比于前者，质子交换膜水电解槽优势颇多:

与碱性电解槽相比，PEM电解槽的体积较小，因为它能在更高的电流密度下运行。碱性水电解所需的占地面积可能是PEM水电解的十倍，这对空间有限的客户来说，PEM水电解无疑是一个不错的选择。

PEM电解水技术创新制氢新路径，拥有明显的技术优势，是一种清洁高效的制氢方式。同时，随着技术的发展，该系统的成本也大大降低。随着全球脱碳进程的加速，PEM电解水制氢将是大势所趋。

创新研发核心技术科慕深耕质子交换膜领域

PEM电解槽主要部件有质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中，作为水电解槽膜电极的核心部件，质子交换膜不仅传导质子，隔离氢气和氧气，而且还为催化剂提供支撑，其性能的好坏直接决定水电解槽的性能和使用寿命。

Nafion™质子交换膜

凭借高质子传导性、低气体渗透性、高机械强度和稳定的化学耐久性等优点，科慕公司的Nafion™质子交换膜是目前市场应用广泛的质子交换膜之一，其中尤以Nafion™ 115和Nafion™ 117系列质子交换膜应用享誉全球、备受认可。

作为质子交换膜发明者，科慕在质子交换膜领域耕耘已经近60年。自Nafion™膜发明以来，凭借其卓越的产品性能和耐用性，一直大量应用于氯碱工业，并在此后形成了种类丰富的Nafion™系列产品，很好地满足了能源储存、水电解、燃料电池、超高纯度化学品生产以及为其他特殊应用领域提供领先的解决方案。

为了促进绿色氢能技术的发展，持续释放氢能经济潜力，满足不断增长的市场需求，科慕公司于今年1月宣布向其位于法国维莱圣保罗的工厂投资2亿美元，以增加Nafion™离子交换材料的产能。这项投资是科慕在美国工厂的现有产能之上，对供应链体系的可靠性和生产能力的进一步提升。

随着“双碳”目标推动下清洁能源需求的增多，氢能和燃料电池将获得越来越多的关注，质子交换膜的市场也将更加广阔。未来，科慕将持续加大研发投入和创新力度，扩大Nafion™质子交换膜技术的影响力，支持和推动全球氢能经济的技术进步和新品研发，加速全球脱碳进程。